Wie verschiebt die Restkohlenstoffverunreinigung durch Ziehschmiermittel (0,05 mg/cm² gegenüber . 0.5 mg/cm²) die kritische Lochfraßtemperatur eines Titanheizgeräts in 1 % HCl bei 70 Grad?

Restkohlenstoffverunreinigungen von Heizrohren aus Titan durch chlorierte Paraffin-Ziehschmierstoffe sind ein häufiges Herstellungsproblem. Wenn die Heizung in 1 %ige Salzsäure bei 70 Grad getaucht wird, zersetzt sich der Kohlenstoffrückstand an lokalen Stellen oxidativ, wodurch reduzierende Umstände entstehen, die zum Zusammenbruch des Passivfilms führen. Die kritische Lochfraßtemperatur (CPT), also die Temperatur, bei der stabile Lochfraßbildung einsetzt, sinkt mit zunehmender Kohlenstoffverunreinigung an der Oberfläche. Für eine saubere Oberfläche mit 0,05 mg/cm²^2$ Kohlenstoff beträgt der CPT in 1 % HCl etwa 75 Grad, was einen Sicherheitsspielraum von etwa 70 Grad ergibt. Bei einer kontaminierten Oberfläche mit 0,5 mg/cm2 Kohlenstoff sinkt der CPT auf 50–55 Grad, was bedeutet, dass bei normalen Betriebstemperaturen von 70 Grad Lochfraß auftritt.

Mechanismus der durch Kohlenstoff-induzierten Senkung der kritischen Lochfraßtemperatur

Bei hohen Temperaturen verbindet sich restlicher Kohlenstoff mit Spuren von Sauerstoff oder Wasser und erzeugt Kohlenmonoxid und Kohlendioxid. Bei dieser Reaktion wird Sauerstoff an der Titanoberfläche genutzt, wodurch eine lokal reduzierende Umgebung entsteht. Der Abbau der Passivschicht von TiO 2 zu Ti 2 O 3 oder sogar zu metallischem Titan verringert das Lochfraßpotential. Kohlenstoffpartikel werden auch als Spaltstellen für die Konzentration von Chloriden genutzt. Der kombinierte Effekt führt bei moderaten Verschmutzungsgraden zu einer Verringerung des CPT um 15–25 Grad. Die Verschiebung skaliert fast logarithmisch mit der Kohlenstoffbelastung, wobei jedes Jahrzehnt zunehmender Kohlenstoffbelastung die CPT um 10–15 °C verringert.

Quantitative Variation der kritischen Lochfraßtemperatur mit dem Kohlenstoffgehalt

Die CPT-Werte von Titan Grad 2 wurden durch kontrollierte potentiostatische Tests in entlüfteter 1 %iger HCl mit unterschiedlichen Mengen an Oberflächenkohlenstoff bestimmt. CPT beträgt 75–80 Grad mit einer Kohlenstoffverunreinigung < 0,05 mg/cm2 (ordnungsgemäß gereinigt) und sicherer Betrieb bei 70 Grad ohne Lochfraß nach 1.000 Stunden. Bei einem Kohlenstoffgehalt von 0,05–0,10 mg/cm2 sinkt der CPT auf 65–70 Grad; Grenzbetrieb bei 70 Grad führt nach 200–500 Stunden zum Beginn der Lochfraßbildung. Bei 0,10–0,25 mg/cm² Kohlenstoff liegt der CPT bei 55–65 Grad, Lochfraß tritt bei 70 Grad in 50–200 Stunden auf und die Lochtiefe beträgt 0,1–0,3 mm in 500 Stunden. Bei 0,25–0,50 mg/cm2 Kohlenstoff sinkt der CPT auf 45–55 Grad und bei 70 Grad kommt es innerhalb von 10–50 Stunden zu schneller Lochfraßbildung mit schwerem Befall. Wenn sichtbare Rückstände vorhanden sind und der Kohlenstoffgehalt über 0,50 mg/cm² liegt, liegt der CPT unter 40 Grad und bei 70 Grad tritt sofort Lochfraß auf.

Einfluss der HCl-Konzentration auf die kohlenstoffinduzierte CPT-Verschiebung

Das Ausmaß der CPT-Verschiebung ist von der HCl--Konzentration abhängig. Bei 0,5 % HCl beträgt der CPT 90 Grad für eine saubere Oberfläche und 70 Grad für eine Oberfläche mit 0,25 mg/cm2 Kohlenstoff, was einer Verschiebung von 20 Grad entspricht. Bei 1,0 % HCl beträgt der saubere CPT 78 Grad und der verschmutzte CPT 58 Grad, eine weitere Änderung um 20 Grad. Bei 2,0 % HCl beträgt der saubere CPT 65 Grad und der verunreinigte CPT 45 Grad, was wiederum einer Verschiebung um 20 Grad entspricht. Der saubere CPT beträgt 55 Grad bei 3,0 % HCl, während der kontaminierte CPT 35 Grad beträgt, was einer Änderung von 20 Grad entspricht. Die gleichmäßige Verschiebung um 20 Grad über den Konzentrationsbereich zeigt, dass die Auswirkung der Kohlenstoffverschmutzung auf den absoluten CPT eine konstante Verschiebung und keine relative Verschiebung ist.

Grenzwerte der Kohlenstoffverunreinigung und Reinigungsvalidierung für den 70-Grad-HCl-Betrieb

Die folgende Tabelle zeigt die maximalen Mengen an Kohlenstoffverunreinigungen, die bei 70 Grad in 1 % HCl sicher betrieben werden können, mit empfohlenen Reinigungsmethoden und Verifizierungstests.

Angestrebte Lebensdauer bei 70 °C. Verifizierungstest für die erforderliche Reinigungsmethode. Maximal zulässiger Kohlenstoffgehalt (mg/cm2). 5 Jahre<0.05Alkaline clean, ultrasonic, and vapor degreaseSolvent extraction + gravimetric 2-5 years <0.10Vapor degrease + alkaline washWater break test (continuous film)
1–2 Jahre<0.15Visual inspection (no smears) Vapor degreasing solely
<1 year (intermittent) <0.25 Solvent wipe None
Not acceptable >0,25 Nachreinigung N/A
Engineering Beyond Carbon Removal und die Grade Election

Die CPT-Verschiebung aufgrund der Kohlenstoffverunreinigung wird durch die Titansorte beeinflusst. Klasse 7 (Palladium-stabilisiert) hat einen um 15–20 Grad höheren Basis-CPT als Klasse 2, daher hat ein verschmutztes Heizgerät der Klasse 7 mit 0,25 mg/cm2 Kohlenstoff einen CPT von ~65 Grad, was immer noch unter 70 Grad Betrieb liegt. Note 7 beseitigt also nicht das Risiko, sondern bietet eine Marge. CPT wird nicht von der Wandstärke beeinflusst, aber die Dauer der Grübchenausbreitung wird beeinflusst. Eine Wandstärke von 2,0 mm mit Lochfraß mit einer Rate von 0,1 mm pro Stunde würde 20 Stunden lang überleben und somit eine Erkennung ermöglichen. Kohlenstoffverunreinigungen können durch Plasmareinigung oder Vakuumbacken bei 300 Grad für 2 Stunden beseitigt werden, wodurch der Kohlenstoffgehalt auf unter 0,01 mg/cm² gesenkt wird. Die Lösungsmittelextraktion nach ASTM F331 ist die robusteste Methode zur Messung des Restkohlenstoffs.

Eine sachkundige Spezifikation

Für eine Titanheizung in 1 % HCl bei 70 Grad ist eine maximale Restkohlenstoffverunreinigung von 0,05 mg/cm2 (Lösungsmittelextraktion ASTM F331) erforderlich. Definieren Sie ein Reinigungsverfahren: Dampfentfettung mit Trichlorethylen oder einem alternativen akzeptablen Lösungsmittel, alkalische Reinigung bei 60 Grad für 10 Minuten, Ultraschallreinigung in entionisiertem Wasser und Trocknung in sauberer und gefilterter Luft. Legen Sie für wichtige Anwendungen einen Überprüfungstest nach der Reinigung fest: Tauchen Sie einen Probestück 168 Stunden lang in 1 %ige HCl bei 70 Grad und prüfen Sie ihn auf Lochfraß unter 50-facher Magnitude. Wenn Sie Löcher entdecken, lehnen Sie die Charge ab. Wenn der Kohlenstoffgehalt bei vorhandenen Heizgeräten unbekannt ist, führen Sie nach der Reinigung einen Wasserbruchtest durch. Wenn das Wasser keinen zusammenhängenden Film auf der Oberfläche bildet, muss diese erneut gereinigt werden. Der Ingenieur kontrolliert die Restkohlenstoffverunreinigung auf 0,05 mg/cm2, so dass die kritische Lochfraßtemperatur über 70 Grad liegt, um vorzeitige Lochfraßbildung bei verdünnter Salzsäure zu vermeiden.